Caracterização de vários tipos de biomassa para valorização energética

Ano 2013

Ana Catarina Oliveira

Ferreira

Caracterização de vários tipos de biomassa para

valorização energética

Universidade de Aveiro 2013

Departamento de Engenharia Mecânica

Ana Catarina Oliveira

Ferreira

Caracterização de vários tipos de biomassa para

valorização energética

Dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Mestre em Sistemas Energéticos Sustentáveis, realizada sob a orientação científica do Professor Doutor Luis António da Cruz Tarelho, Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, e co-orientação do Professor Doutor Manuel Arlindo Amador de Matos, Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro.

Este trabalho foi realizado no âmbito do projeto “BiomAshTech - Impactos da cinza durante a conversão termoquímica de biomassa” PTDC/AACAMB/116568/2010 - FCOMP-01-0124-FEDER-019346, financiado por Fundos FEDER através do Programa Operacional Fatores de Competitividade – COMPETE e por Fundos Nacionais através da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologia.

"“A persistência é o caminho do êxito”

O júri

Presidente Professor Doutor Nelson Amadeu Dias Martins

Professor Auxiliar do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Aveiro

Professor Doutor Luís António da Cruz Tarelho

Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro

(Orientador)

Doutora Sónia Alexandra Morais Rodrigues

Bolseira de Pós-Doutoramento do Departamento de Química da Universidade de Aveiro

Agradecimentos

Ao Professor Doutor Luís António da Cruz Tarelho, Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, pela orientação, disponibilidade, apoio e acompanhamento durante a elaboração da dissertação.

Ao Professor Doutor Manuel Arlindo Amador de Matos, Professor Auxiliar do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, pela orientação e disponibilidade prestadas durante a elaboração da dissertação.

Ao Professor Doutor José de Jesus Figueiredo da Silva e à Professora Paula, Professores Auxiliares do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, agradeço a disponibilização do material para o trabalho experimental.

Um agradecimento especial à Engenheira Elisabete Teixeira, por toda a dedicação e apoio prestados no trabalho experimental, e também pela amizade, paciência e preocupação que foram sem dúvida fundamentais.

Ao pessoal docente do Departamento de Ambiente e Ordenamento da Universidade de Aveiro, agradeço por todos os apoios prestados.

À Joana Alves, à Sara Soares, à Rita Teixeira, ao Miguel Reis e ao João Peres, quero deixar um agradecimento pela ajuda, companheirismo e amizade no decorrer do trabalho experimental.

Agradeço também a todos os meus amigos e às minhas colegas de casa que me acompanharam, e que sempre se preocuparam com o meu estado psicológico e com o desenvolvimento do meu trabalho, nomeadamente a Fabiana, a Márcia, o Kevin, a Dulce, a Liliana, a Débora, a Rosana, a Sofia, a Francisca, a Diana, a Carla, a Dora, o Marco, o Daniel, a Elena e a Filipa.

À minha madrinha, ao meu padrinho, e às minhas primas(os): Joana Gonçalves, Marta Gonçalves, Joana Sousa, Ana Sá, Duarte Sá, Tânia Aparício e Sónia Oliveira, agradeço a preocupação constante e o apoio.

Um agradecimento especial à Ana Lúcia Correia, pela ajuda no trabalho de campo e novamente à Doutora e amiga Dora Pontinha pelo apoio prestado no meu trabalho.

Por fim, quero agradecer às pessoas mais importantes da minha vida pela ajuda, paciência, pelo apoio e pela preocupação constante. São eles a minha mãe, o meu pai e o meu irmão. Sem eles nada seria possível.

Palavras-chave

Resumo

com interesse para valorização energética. A biomassa é hoje em dia um recurso muito utilizado quer a nível industrial, quer a nível comercial e residencial. As utilizações dadas são a combustão de biomassa lenhosa em centrais termoelétricas, a combustão residencial, a utilização em sistemas de co-geração (produção de energia e calor em simultâneo), a pirólise e a gasificação.

Para que estas opções de valorização energética sejam eficientes é necessário utilizar combustíveis de qualidade e portanto avaliar as suas características físicas e químicas, e aplicar técnicas de pré-tratamento que permitam um melhor desempenho dos processos de conversão energética.

No decorrer do presente trabalho foi realizada a caracterização físico-química de vários tipos de biomassa, que incluiu a análise granulométrica, análise imediata (teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo) e de elementos solúveis. Os tipos de biomassa utilizados incluíram o eucalipto, o pinheiro, o carvalho, o castanheiro, a giesta, o tojo e as canas. Foi aplicado ainda o tratamento por torrefação a algumas amostras de biomassa, tendo como objetivo a melhoria das suas características como combustível.

Os resultados obtidos mostram que é a granulometria 2,00-4,75 mm que representa a maior percentagem mássica do combustível após destroçamento mecânico, quer no eucalipto, quer no pinheiro. Por outro lado, quando se estabelecem relações mássicas entre madeira e casca para os troncos de árvores, é o tronco que representa a maior percentagem mássica.

De acordo com os parâmetros estudados, e tendo em conta as propriedades físico-químicas (teores de humidade, cinzas, voláteis, carbono fixo e de elementos solúveis) com interesse em processos de conversão energética, verificou-se que os teores de humidade e cinzas, e a concentração de elementos solúveis variam entre os diferentes tipos de biomassa. No entanto, e uma vez que se pretende para conversão energética uma biomassa com baixos teores de humidade e cinzas, verifica-se que o tipo que apresenta as características mais favoráveis é o pinheiro.

As amostras de biomassa após torrefação apresentam melhorias nas características com interesse para conversão energética. Em termos de elementos químicos solúveis foram analisados a giesta, os troncos de canas, o pinheiro com partículas de tamanho inferior a 10 mm e o eucalipto (tronco com casca). Neste caso, o processo apresenta melhorias significativas relativamente ao teor de voláteis, carbono fixo e de elementos solúveis para a giesta.

Em termos de perspetivas futuras, a biomassa é um recurso energético com potencial de valorização, e está disponível em diversas regiões do país. No entanto, é importante ter um conhecimento adequado dos vários tipos de biomassa como combustível, de modo tornar eficiente a tecnologia, e como tal é necessária a sua caracterização. No que diz respeito ao tratamento por torrefação, é necessário que este seja adequado a cada tipo de biomassa, para que se consigam obter melhores resultados.

Keywords

Abstract

interest for energy conversion. Biomass is nowadays a widely used energy resource at industrial level, or commercial and residential level. Currently, the uses include the combustion of woody biomass thermoelectric plants, residential combustion, use in co-generation systems (production of heat and power simultaneously), pyrolysis and gasification.

To achieve efficient energy conversion it is necessary to use good quality fuels, and hence assess their physical and chemical characteristics, and apply pre-treatment techniques that allow a better performance of energy conversion processes.

During the present study the physico-chemical characterization of various types of biomass was made, including the particle size, proximate analysis and soluble elements. The types of biomass used included eucalyptus, pine, oak, chestnut, broom, gorse and reeds. Treatment by torrefaction was also applied to some samples of biomass, aiming to improve its characteristics as a fuel.

The results show that the particle size in range 2,00 mm to 4,75 mm represents the largest percentage by weight of fuel after mechanical shredding, either in eucalyptus or pine. On the other hand, when establishing mass relations between wood and bark to the tree trunks, it is the wood that represents the largest percentage by weight.

According to the studied parameters, taking into account the physical- chemical properties (moisture content, ash, volatile matter, fixed carbon and soluble elements) of interest in energy conversion processes, it has been found that the moisture content, ash content, and the concentration of soluble elements vary among different types of biomass. However, it is desirable a biomass with low moisture and ash content, it appears that the species with the most favorable conditions is pine.

The samples of biomass after torrefaction show improvements in their characteristics of interest for energy conversion. In terms of soluble chemical elements were analysed broom, the trunks of reeds, pine and eucalyptus (trunk with bark) particles with size less than 10 mm. In this case, the process has significant improvements relative to the quantity of volatile matter, fixed carbon and soluble elements for the broom.

In terms of future prospects, biomass is an energy resource with potential, and is available in several regions of the country. However, it is important to have a proper knowledge of various types of biomass as fuel in order to make the technology efficient, and as such its characterization is required. With respect to the torrefaction treatment, it must be conduced according to the type of biomass in order to achieve better results.

Índice

Índice ...i

Índice de Figuras ... iv

Índice de Tabelas ... ix

Lista de abreviaturas / Nomenclatura ... xii

1 INTRODUÇÃO ... 1

1.1 Biomassa ... 1

1.1.1 Uma visão geral sobre a biomassa ... 1

1.1.2 Consumo de biomassa para energia... 2

1.1.3 Vantagens e desvantagens da biomassa como combustível ... 3

1.2 Características da biomassa ... 3 1.2.1 Composição imediata ... 4 1.2.1.1 Humidade ... 4 1.2.1.2 Cinzas ... 5 1.2.1.3 Matéria volátil ... 5 1.2.1.4 Carbono fixo ... 5 1.2.2 Composição elementar ... 6 1.2.2.1 Carbono (C) ... 6 1.2.2.2 Oxigénio (O) ... 6 1.2.2.3 Hidrogénio (H) ... 7 1.2.2.4 Azoto (N) ... 7 1.2.2.5 Enxofre (S) ... 7 1.2.2.6 Cloro (Ci) ... 7

1.2.3 Composição das fases orgânica e inorgânica ... 8

1.2.3.1 Matéria orgânica ... 8

1.2.3.2 Matéria solúvel ... 8

1.2.3.3 Matéria inorgânica e matéria mineral ... 8

1.2.4 Conteúdo energético da biomassa ... 9

1.2.5 Densidade a granel... 9

1.3 Caracterização e pré-tratamento da biomassa ... 10

1.3.1 Lixiviação ... 10

1.3.2 Digestão ácida ... 11

1.4 Biocombustíveis ... 11

1.4.1 Biocombustíveis a partir de biomassa ... 11

1.4.2 Vantagens e desvantagens dos biocombustíveis ... 12

1.4.3 Biocombustíveis sólidos ... 13

1.5 Tecnologias de pré-tratamento de biomassa ... 13

1.5.1 Destroçamento ... 13

1.5.2 Densificação da biomassa ... 14

1.5.2.1 Pellets e briquettes ... 14

1.5.2.2 Vantagens e desvantagens dos pellets e briquettes, relativamente à biomassa lenhosa….. ... 16

1.5.3 Tratamento por torrefação ... 16

1.5.3.1 Processo de torrefação ... 16

1.5.3.2 Densificação de biomassa torrificada ... 17

1.5.3.3 Vantagens da torrefação ... 17

1.5.3.4 Produtos do processo de torrefação ... 18

1.6 Conversão energética da biomassa ... 18

1.6.2 Gasificação ... 19

1.6.3 Combustão ... 19

1.7 Impactes ambientais da combustão de biomassa ... 20

1.7.1 Dióxido de carbono (CO2) ... 20

1.7.2 Cinzas de biomassa ... 20

1.7.2.1 Composição das cinzas de biomassa ... 21

1.7.2.2 Vantagens tecnológicas e problemas ... 22

1.7.2.3 Riscos ambientais e de saúde ... 22

1.7.2.4 Utilização das cinzas de biomassa ... 23

1.8 Objetivos da tese ... 24

2 METODOLOGIA EXPERIMENTAL ... 25

2.1 Recolha das amostras ... 25

2.1.1 Biomassa lenhosa ... 25

2.1.2 Canas, tojo e giesta ... 26

2.2 Preparação das amostras em laboratório ... 27

2.2.1 Destroçador mecânico ... 27

2.2.2 Trituração das amostras para determinação de cinzas, voláteis e solúveis ... 28

2.2.3 Eucalipto ... 28 2.2.4 Pinheiro ... 31 2.2.5 Carvalho ... 31 2.2.6 Castanheiro ... 33 2.2.7 Giesta ... 35 2.2.8 Tojo ... 36 2.2.9 Canas ... 37

2.2.10 Amostras de carbonizado de madeira comercial ... 38

2.2.11 Torrefação ... 38

2.3 Caracterização química da biomassa ... 39

2.3.1 Teor de humidade ... 39

2.3.2 Teor de cinzas ... 39

2.3.3 Teor de matéria volátil ... 39

2.3.4 Teor de carbono fixo ... 40

2.3.5 Solúveis ... 40

2.3.6 Cálcio, magnésio, sódio e potássio ... 40

2.3.7 Fósforo ... 41

2.3.8 Cloretos ... 41

2.3.9 Carência Química de Oxigénio (CQO) ... 41

2.3.10 Azoto orgânico ... 41 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 43 3.1 Análise imediata ... 43 3.1.1 Pinheiro ... 43 3.1.2 Eucalipto ... 44 3.1.3 Carvalho ... 46 3.1.4 Castanheiro ... 48 3.1.5 Canas e arbustos ... 49

3.1.6 Amostras após processo de torrefação ... 50

3.1.7 Carbonizado de madeira comercial ... 51

3.2 Comparação entre os tipos de biomassa ... 52

3.2.1 Granulometrias do Pinheiro e Eucalipto ... 53

3.2.2 Pinheiro e Eucalipto destroçados mecanicamente, com particulas de diâmetro inferior a 10 mm ... 54

3.2.3 Frações de biomassa analisadas ... 55

3.2.4 Biomassa antes e após processo de torrefação ... 56

3.3 Elementos solúveis da biomassa ... 58

3.3.1 Pinheiro e Eucalipto destroçados mecanicamente, com particulas de diâmetro inferior a 10 mm ... 58

3.3.2 Eucalipto ... 59

3.3.3 Carvalho ... 60

3.3.4 Castanheiro ... 62

3.3.5 Canas e arbustos ... 63

3.3.6 Amostras após processo de torrefação ... 65

3.3.7 Análise das quatro espécies de biomassa analisadas, antes e após o processo de torrefação ... 66

3.3.8 Carbonizado de madeira comercial ... 68

3.3.9 Análise de elementos solúveis das espécies/frações de biomassa analisadas ... 69

4 CONCLUSÕES ... 71

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 73

Anexo A – Protocolos experimentais ... 77

A1 - Determinação da distribuição granulométrica do combustível (Pinheiro e Eucalipto) ... 77

A2 - Determinação do teor de humidade ... 78

A3 - Determinação do teor de cinzas ... 79

A4 - Determinação do teor de voláteis ... 80

A5 - Extração de elementos solúveis em biomassa ... 81

A6 - Determinação da Carência Química de Oxigénio (C.Q.O.) ... 82

A7 - Espectrometria de absorção e emissão atómica: ... 84

A8 - Determinação de cloretos ... 86

A9 - Determinação do fósforo total ... 87

A10 - Determinação do azoto Kjeldhal (azoto orgânico) ... 89

A11 - Pré-tratamento de biomassa por torrefação ... 92

Anexo B – Curvas de Calibração ... 93

B1 – Retas de calibração para o CQO ... 93

B2 – Retas de calibração dos Cloretos... 99

B3 – Retas de calibração do Fósforo ... 101

B4 – Retas de calibração do elemento Cálcio ... 107

B5 – Retas de calibração do elemento Magnésio ... 109

B6 – Curvas de calibração do elemento Potássio ... 112

B7 – Curvas de calibração do elemento Sódio ... 115

B8 – Curvas de calibração dos brancos (Sódio) ... 117

B9 – Curvas de calibração dos brancos (Potássio) ... 118

B10 – Tabela de padronização do azoto ... 120

Índice de Figuras

Figura 1.1: Relação entre o PCI e o teor de humidade (EUBIA) ... 9

Figura 1.2: Processo de produção de pellets (Pelletslar) ... 15

Figura 1.3: Ciclo do CO2 (http://www.presenteparahomem.com.br/ecologia-o-ciclo-do-carbono-na-atmosfera/) ... 20

Figura 2.1: Tipos de biomassa lenhosa ((a) carvalho, (b) castanheiro, (c) pinheiro, (d) eucalipto). ... 26

Figura 2.2: Tipos de arbustos e gramíneas ((a)canas, (b) tojo, (c) giesta). ... 27

Figura 2.3: Destroçador mecânico. ... 28

Figura 2.4: Folhas de eucalipto após processo de destroçamento manual. ... 29

Figura 2.5: Tronco de eucalipto após processo de destroçamento mecânico. ... 29

Figura 2.6: Casca de Eucalipto após processo de destroçamento manual. ... 29

Figura 2.7: Características das partículas de resíduos de abate de Eucalipto destroçado mecanicamente, e com partículas de tamanho inferior a 10 mm. ... 30

Figura 2.8: Tronco de eucalipto com casca, destroçado mecanicamente. ... 30

Figura 2.9: Características das partículas de resíduos de abate o Pinheiro destroçado mecanicamente, e com partículas de tamanho inferior a 10 mm. ... 31

Figura 2.10: Folhas de carvalho após seleção e secagem. ... 32

Figura 2.11: Casca de carvalho resultante do descasque de troncos com diâmetro inferior a 2 cm. ... 32

Figura 2.12: Casca de carvalho resultante do descasque de troncos com diâmetro inferior a 2 cm. ... 32

Figura 2.13: Tronco de carvalho com diâmetro inferior a 2 cm, destroçado mecanicamente. ... 33

Figura 2.14: Tronco de carvalho com diâmetro superior a 2 cm, destroçado mecanicamente. ... 33

Figura 2.15: Casca de castanheiro resultante do descasque de troncos com diâmetro inferior a 2 cm. ... 34

Figura 2.16: Casca de castanheiro resultante do descasque de troncos com diâmetro superior a 2 cm. ... 34

Figura 2.17: Tronco de castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm, destroçado mecanicamente. .. 35

Figura 2.18: Tronco de castanheiro com diâmetro superior a 2 cm, destroçado mecanicamente. 35 Figura 2.19: Giesta destroçada mecanicamente. ... 36

Figura 2.20: Tojo com diâmetro superior a 5 mm, destroçado mecanicamente. ... 36

Figura 2.21: Tojo com diâmetro inferior a 5 mm, destroçado mecanicamente. ... 37

Figura 2.22: Topos de canas destroçados mecanicamente ... 37

Figura 2.23: Troncos de canas destroçados mecanicamente. ... 38

Figura 2.24: Amostras de carbonizado de madeira comercial. ... 38

Figura 2.25: Autoclave. ... 40

Figura 3.1: Distribuição granulométrica do pinheiro. A distribuição granulométrica foi realizada para a fração de partículas com tamanho inferior a 10 mm. ... 43

Figura 3.2: Análise imediata (teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo) para as diferentes classes granulométricas do pinheiro. ... 44

Figura 3.3: Abundância relativa de casca e madeira nos troncos do eucalipto. Resultado obtido numa média de 55 troncos de eucalipto. ... 44

Figura 3.4: Distribuição granulométrica do eucalipto. A distribuição granulométrica foi realizada para a fração de partículas de tamanho inferior a 10 mm. ... 45

Figura 3.5: Análise imediata (teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo) para as diferentes classes granulométricas do eucalipto. ... 45

Figura 3.6: Análise imediata (teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo) das diferentes partes do eucalipto, e da fração de tronco com casca. ... 46

Figura 3.7(a): Abundância relativa (% em massa, btq) de casca e madeira nos troncos carvalho com diâmetro superior a 2 cm. ... 47 Figura 3.7(b): Abundância relativa (% em massa, btq) de casca e madeira nos troncos carvalho

com diâmetro inferior a 2 cm. ... 47 Figura 3.8: Análise imediata (teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo) das diferentes

partes do carvalho. ... 47 Figura 3.9(a): Abundância relativa (% em massa, btq) de casca e madeira nos troncos castanheiro

com diâmetro superior a 2 cm. ... 48 Figura 3.9(b): Abundância relativa (% em massa, btq) de casca e madeira nos troncos

castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm. ... 48 Figura 3.10: Análise imediata (teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo) das diferentes

partes do castanheiro. ... 49 Figura 3.11: Abundância relativa (% em massa, btq) de topos e troncos nas canas. ... 49 Figura 3.12: Análise imediata (teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo) dos arbustos e das canas. ... 50 Figura 3.13: Teor de cinzas (% em massa, bs) dos diferentes tipos de biomassa/frações após o

processo de torrefação. ... 50 Figura 3.14: Teor de voláteis (% em massa, bs) dos diferentes tipos de biomassa/frações após o

processo de torrefação. ... 51 Figura 3.15: Teor de carbono fixo (% em massa, bs) dos diferentes tipos de biomassa/frações

após o processo de torrefação. ... 51 Figura 3.16: Análise imediata (teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo) para as

amostras de carbonizado de madeira comercial. ... 52 Figura 3.17: Comparação entre os teores de humidade (% em massa, btq) das granulometrias do

pinheiro e do eucalipto destroçados mecanicamente e com partículas inferiores a 10 mm. .. 53 Figura 3.18: Comparação entre os teores de cinzas (% em massa, bs) das granulometrias do

pinheiro e do eucalipto destroçados mecanicamente e com partículas inferiores a 10 mm. .. 53 Figura 3.19: Comparação entre os teores de voláteis (% em massa, bs) das granulometrias do

pinheiro e do eucalipto destroçados mecanicamente e com partículas inferiores a 10 mm. .. 54 Figura 3.20: Comparação entre os teores de carbono fixo (% em massa, bs) das granulometrias

do pinheiro e do eucalipto destroçados mecanicamente e com partículas inferiores a 10 mm. ... 54 Figura 3.21: Comparação entre a análise imediata (humidade (% btq), cinzas (% bs), voláteis (%

bs) e carbono fixo (% bs)), das classes granulométricas do pinheiro e do eucalipto destroçados mecanicamente e com partículas de diâmetro inferior a 10 mm. ... 55 Figura 3.22: Comparação entre os teores de cinzas (% em massa, bs) dos diferentes tipos de

biomassa antes e após o processo de torrefação. ... 57 Figura 3.23: Comparação entre os teores de voláteis (% em massa, bs) dos diferentes tipos de

biomassa antes e após o processo de torrefação. ... 57 Figura 3.24: Comparação entre os teores de carbono fixo (% em massa, bs) dos diferentes tipos

de biomassa antes e após o processo de torrefação. ... 58 Figura 3.25: Análise de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs) das amostras de pinheiro e eucalipto

destroçados mecanicamente com partículas de diâmetro inferior a 10 mm (Teixeira, 2013). 59 Figura 3.26: Análise do CQO (g/kgbiomassa, bs) no eucalipto e pinheiro com diâmetro inferior a 10

mm (Teixeira, 2013). ... 59 Figura 3.27: Análise de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs) para as diferentes partes do eucalipto. ... 60 Figura 3.28: Análise do CQO (g/kgbiomassa, bs) para as diferentes partes do eucalipto. ... 60

Figura 3.29: Análise de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs) para as diferentes partes do carvalho. ... 61

Figura 3.30: Análise do CQO (g/kgbiomassa, bs) para as diferentes partes do carvalho. ... 62

Figura 3.31: Análise de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs) para as diferentes partes do castanheiro. ... 63 Figura 3.32: Análise do CQO (g/kgbiomassa, bs) para as diferentes partes do castanheiro. ... 63

Figura 3.33: Análise de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs) para as diferentes espécies de arbustos e canas, e respetivas partes (tojo e canas). ... 64 Figura 3.34: Análise do CQO (g/kgbiomassa, bs) para as diferentes espécies de arbustos e canas, e

respetivas partes (tojo e canas). ... 65 Figura 3.35: Análise de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs) para as espécies de biomassa

analisadas, após o processo de torrefação (L.D. (Na) = 0,32 g/kg e L.D. (K) = 0,07 g/kg). .... 66 Figura 3.36: Comparação das concentrações de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs), antes e após

o processo de torrefação na fração de tronco com casca de eucalipto (L.D. (Na) = 0,32 g/kg; L.D. (K) = 0,07 g/kg). ... 66 Figura 3.37: Comparação das concentrações de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs), antes e após

o processo de torrefação no pinheiro destroçado mecanicamente com partículas de diâmetro inferior a 10 mm (L.D. (Na) = 0,32 g/kg). ... 67 Figura 3.38: Comparação das concentrações de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs), antes e após

o processo de torrefação na giesta (L.D. (Na) = 0,32 g/kg). ... 67 Figura 3.39: Comparação das concentrações de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs), antes e após

o processo de torrefação nos troncos de canas (L.D. (Na) = 0,32 g/kg). ... 68 Figura 3.40: Análise de elementos solúveis (g/kgcarbonizado, bs) nas amostras de carbonizado de

madeira comercial. ... 69 Figura B.1: Reta de calibração para determinação do CQO no tronco de eucalipto. ... 93 Figura B.2: Reta de calibração para determinação do CQO nas frações de tojo (diâmetro superior e inferior a 5 mm). ... 94 Figura B.3: Reta de calibração para determinação do CQO nas folhas de eucalipto. ... 94 Figura B.4: Reta de calibração para determinação do CQO na casca de eucalipto. ... 95 Figura B.5: Reta de calibração para determinação do CQO na casca de troncos de carvalho com diâmetro superior a 2 cm. ... 96 Figura B.6: Reta de calibração para determinação do CQO nas folhas de carvalho. ... 96 Figura B.7: Reta de calibração para determinação do CQO no tronco de castanheiro com diâmetro superior e inferior a 2 cm e na casca de troncos de castanheiro com diâmetro superior a 2 cm. ... 97 Figura B.8: Reta de calibração para determinação do CQO no tronco de carvalho com diâmetro

superior a 2 cm e na casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm... 98 Figura B.9: Reta de calibração para determinação do CQO nos topos e troncos de canas, e na

giesta. ... 98 Figura B.10: Reta de calibração para determinação do CQO no tronco de carvalho com diâmetro

inferior a 2 cm. ... 99 Figura B.11: Reta de calibração para determinação dos Cloretos nas folhas de eucalipto. ... 100 Figura B.12: Reta de calibração para determinação dos Cloretos nas amostras de carbonizado de madeira comercial, troncos e casca de castanheiro com diâmetros superiores e inferiores a 2 cm, troncos de carvalho com diâmetro superior e inferior a 2 cm, e espécies de biomassa torrificadas (giesta, pinheiro <10 mm, troncos de canas e tronco com casca de eucalipto)). 100 Figura B.13: Reta de calibração para determinação dos Cloretos nas frações de canas, frações de

tojo, giesta, casca de troncos de carvalho com diâmetro superior e inferior a 2 cm, folhas de carvalho e casca de eucalipto. ... 101 Figura B.14: Reta de calibração para determinação do Fósforo nos topos e troncos de canas, e na

Figura B.15: Reta de calibração para determinação do Fósforo na casca e tronco de carvalho com diâmetro inferior a 2 cm. ... 102 Figura B.16: Reta de calibração para determinação do Fósforo na casca e tronco de carvalho com

diâmetro superior a 2 cm. ... 103 Figura B.17: Reta de calibração para determinação do Fósforo na casca e tronco de castanheiro

com diâmetro inferior a 2 cm, e folhas de carvalho. ... 104 Figura B.18: Reta de calibração para determinação do Fósforo na de casca de troncos de

castanheiro com diâmetro superior a 2 cm, folhas de eucalipto, e tojo com diâmetro superior e inferior a 5 mm... 104 Figura B.19: Reta de calibração para determinação do Fósforo na casca de eucalipto, giesta

torrificada e pinheiro torrificado com partículas de diâmetro inferior a 10 mm. ... 105 Figura B.20: Reta de calibração para determinação do Fósforo no tronco com casca de eucalipto

torrificado, troncos de canas torrificados e tronco de castanheiro com diâmetro superior a 2 cm. ... 106 Figura B.21: Reta de calibração para determinação do Fósforo nas amostras de carbonizado de

madeira comercial. ... 106 Figura B.22: Reta de calibração para determinação do Cálcio no tojo com diâmetro superior e

inferior a 5 mm, giesta, cascas de troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, folhas de carvalho, topos e troncos de canas, e casca de eucalipto. ... 107 Figura B.23: Reta de calibração para determinação do Cálcio nos troncos de carvalho com

diâmetro inferior e superior a 2 cm, e casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm. ... 108 Figura B.24: Reta de calibração para determinação do Cálcio na giesta torrificada, tronco com

casca de eucalipto torrificado e troncos de canas torrificados. ... 108 Figura B.25: Reta de calibração para determinação do Cálcio no pinheiro torrificado com

partículas de diâmetro inferior a 10 mm. ... 109 Figura B.26: Reta de calibração para determinação do Magnésio no tojo com diâmetro superior e

inferior a 5 mm, giesta, cascas de troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, folhas de carvalho, topos e troncos de canas, e casca de eucalipto. ... 110 Figura B.27: Reta de calibração para determinação do Magnésio nas amostras de carbonizado de

madeira comercial, troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm e casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm... 110 Figura B.28: Reta de calibração para determinação do Magnésio na giesta torrificada, casca com

tronco de eucalipto torrificada e troncos de canas torrificados. ... 111 Figura B.29: Reta de calibração para determinação do Magnésio no pinheiro torrificado com

partículas de diâmetro inferior a 10 mm. ... 112 Figura B.30: Curva de calibração para determinação do Potássio no tojo com diâmetro superior a

5 mm, casca de troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, giesta, folhas de carvalho, casca de eucalipto, e topos e troncos de canas. ... 112 Figura B.31: Curva de calibração para determinação do Potássio no tojo com diâmetro inferior a 5

mm, troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm, troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm, e amostras de carbonizado de madeira comercial. ... 113 Figura B.32: Curva de calibração para determinação do Potássio nos troncos de canas

torrificados (réplica 1), e tronco com casca de eucalipto torrificado (réplicas 2 e 3). ... 114 Figura B.33: Curva de calibração para determinação do Potássio no troncos de canas torrificados

Figura B.34: Curva de calibração para determinação do Sódio no tojo com diâmetro superior e inferior a 5 mm, giesta, cascas de troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, folhas de carvalho, topos e troncos de canas, e casca de eucalipto. ... 115 Figura B.35: Curva de calibração para determinação do Sódio nos troncos de carvalho com

diâmetro superior e inferior a 2 cm, casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm, troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm, e amostras de carbonizado de madeira comercial. ... 116 Figura B.36: Curva de calibração para determinação do Sódio na giesta torrificada, tronco com

casca de eucalipto torrificados, troncos de canas torrificados, e pinheiro torrificado com partículas de diâmetro inferior a 10 mm. ... 116 Figura B.37: Curva de calibração para determinação do Sódio nos brancos dos dias 8, 11, 12 e 15

de Abril e 5, 11 e 18 de Junho de 2013. ... 117 Figura B.38: Curva de calibração para determinação do Sódio nos brancos dos dias 20, 21 e 25

de Junho de 2013. ... 118 Figura B.39: Reta de calibração para determinação do Potássio nos brancos do dia 18 de Junho

de 2013. ... 118 Figura B.40: Reta de calibração para determinação do Potássio nos brancos dos dias 8, 11, 12 e

15 de Abril e 5 e 11 de Junho de 2013. ... 119 Figura B.41: Curva de calibração para determinação do Potássio nos brancos dos dias 20, 21 e

Índice de Tabelas

Tabela 1.1: Características dos pellets vs briquettes (Adaptado de Saião, 2009) ... 14

Tabela 3.1: Análise imediata dos diferentes tipos de biomassa/frações estudados ... 56

Tabela 3.2: Comparação dos tipos de biomassa/frações analisados, em termos de concentração de elementos solúveis (g/kgbiomassa, bs) ... 70

Tabela A.1: Padrões de CQO ... 82

Tabela A.2: Solução mãe para preparação dos padrões dos metais ... 84

Tabela A.3: Concentração dos padrões dos diferentes metais ... 85

Tabela A.4: Concentração dos padrões para determinação dos cloretos ... 87

Tabela A.5: Concentração dos padrões para determinação do fósforo ... 88

Tabela B.1: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO no tronco de eucalipto ... 93

Tabela B.2: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO nas frações de tojo (diâmetro superior e inferior a 5 mm) ... 93

Tabela B.3: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO nas folhas de eucalipto ... 94

Tabela B.4: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO na casca de eucalipto ... 95

Tabela B.5: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO na casca de troncos de carvalho com diâmetro superior a 2 cm ... 95

Tabela B.6: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO nas folhas de carvalho ... 96

Tabela B.7: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO nas amostras de tronco de castanheiro com diâmetro superior e inferior a 2 cm e na casca de troncos de castanheiro com diâmetro superior a 2 cm ... 97

Tabela B.8: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO nas amostras de tronco de carvalho com diâmetro superior a 2 cm e na casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm ... 97

Tabela B.9: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO nos topos e troncos de canas, e na giesta ... 98

Tabela B.10: Absorvâncias dos padrões para determinação do CQO nas amostras de tronco de carvalho com diâmetro inferior a 2 cm ... 99

Tabela B.11: Potencial dos padrões para determinação dos Cloretos nas amostras de folhas de eucalipto ... 99

Tabela B.12: Potencial dos padrões para determinação dos Cloretos nas amostras de carbonizado de madeira comercial, troncos e casca de castanheiro com diâmetros superiores e inferiores a 2 cm, troncos de carvalho com diâmetro superior e inferior a 2 cm, e espécies de biomassa torrificadas (giesta, pinheiro <10 mm, troncos de canas e tronco com casca de eucalipto)) ... 100

Tabela B.13: Potencial dos padrões para determinação dos Cloretos nas amostras de canas, frações de tojo, giesta, casca de troncos de carvalho com diâmetro superior e inferior a 2 cm, folhas de carvalho e casca de eucalipto ... 101

Tabela B.14: Absorvâncias dos padrões para determinação do Fósforo nas amostras de topos e troncos de canas, e na giesta ... 101

Tabela B.15: Absorvâncias dos padrões para determinação do Fósforo nas amostras de casca e tronco de carvalho com diâmetro inferior a 2 cm ... 102

Tabela B.16: Absorvâncias dos padrões para determinação do Fósforo nas amostras de casca e tronco de carvalho com diâmetro superior a 2 cm ... 103

Tabela B.17: Absorvâncias dos padrões para determinação do Fósforo nas amostras de casca e tronco de castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm, e folhas de carvalho... 103

Tabela B.18: Absorvâncias dos padrões para determinação do Fósforo nas amostras de casca de troncos de castanheiro com diâmetro superior a 2 cm, folhas de eucalipto, e tojo com diâmetro superior e inferior a 5 mm ... 104

Tabela B.19: Absorvâncias dos padrões para determinação do Fósforo nas amostras de casca de eucalipto, giesta torrificada e pinheiro torrificado com partículas de diâmetro inferior a 10 mm ... 105 Tabela B.20: Absorvâncias dos padrões para determinação do Fósforo nas amostras de tronco

com casca de eucalipto torrificado, troncos de canas torrificados e tronco de castanheiro com diâmetro superior a 2 cm ... 105 Tabela B.21: Absorvâncias dos padrões para determinação do Fósforo nas amostras de

carbonizado de madeira comercial ... 106 Tabela B.22: Absorvâncias dos padrões para determinação do Cálcio nas amostras de tojo com

diâmetro superior e inferior a 5 mm, giesta, cascas de troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, folhas de carvalho, topos e troncos de canas, e casca de eucalipto ... 107 Tabela B.23: Absorvâncias dos padrões para determinação do Cálcio nas amostras de troncos de

carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, e casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm ... 107 Tabela B.24: Absorvâncias dos padrões para determinação do Cálcio nas amostras de giesta

torrificada, tronco com casca de eucalipto torrificado e troncos de canas torrificados ... 108 Tabela B.25: Absorvâncias dos padrões para determinação do Cálcio no pinheiro torrificado com

partículas de diâmetro inferior a 10 mm ... 109 Tabela B.26: Absorvâncias dos padrões para determinação do Magnésio nas amostras de tojo

com diâmetro superior e inferior a 5 mm, giesta, cascas de troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, folhas de carvalho, topos e troncos de canas, e casca de eucalipto ... 109 Tabela B.27: Absorvâncias dos padrões para determinação do Magnésio nas amostras de

carbonizado comercial, troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm e casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm ... 110 Tabela B.28: Absorvâncias dos padrões para determinação do Magnésio nas amostras de giesta

torrificada, casca com tronco de eucalipto torrificada e troncos de canas torrificados ... 111 Tabela B.29: Absorvâncias dos padrões para determinação do Magnésio nas amostras de

pinheiro torrificado com partículas de diâmetro inferior a 10 mm ... 111 Tabela B.30: Absorvâncias dos padrões para determinação do Potássio nas amostras de tojo com

diâmetro superior a 5 mm, casca de troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, giesta, folhas de carvalho, casca de eucalipto, e topos e troncos de canas ... 112 Tabela B.31: Absorvâncias dos padrões para determinação do Potássio nas amostras de tojo com

diâmetro inferior a 5 mm, troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, casca de troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm, troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm, e amostras de carbonizado de madeira comercial 113 Tabela B.32: Absorvâncias dos padrões para determinação do Potássio nas amostras de troncos

de canas torrificados (réplica 1), e tronco com casca de eucalipto torrificado (réplicas 2 e 3) ... 113 Tabela B.33: Absorvâncias dos padrões para determinação do Potássio nas amostras de troncos

de canas torrificados (réplicas 2 e 3), tronco com casca de eucalipto torrificado (réplica 1), e giesta torrificada ... 114 Tabela B.34: Absorvâncias dos padrões para determinação do Sódio nas amostras de tojo com

diâmetro superior e inferior a 5 mm, giesta, cascas de troncos de carvalho com diâmetro inferior e superior a 2 cm, folhas de carvalho, topos e troncos de canas, e casca de eucalipto ... 115 Tabela B.35: Absorvâncias dos padrões para determinação do Sódio nas amostras de troncos de

diâmetro inferior e superior a 2 cm, troncos de castanheiro com diâmetro inferior e superior a 2 cm, e amostras de carbonizado de madeira comercial ... 115 Tabela B.36: Absorvâncias dos padrões para determinação do Sódio nas amostras de giesta

torrificada, casca com tronco de eucalipto torrificados, troncos de canas torrificados, e pinheiro torrificado com partículas de diâmetro inferior a 10 mm ... 116 Tabela B.37: Absorvâncias dos padrões dos brancos do Sódio, para os dias 8, 11, 12 e 15 de

Abril e 5, 11 e 18 de Junho de 2013 ... 117 Tabela B.38: Absorvâncias dos padrões dos brancos do Sódio, para os dias 20, 21 e 25 de Junho

de 2013 ... 117 Tabela B.39: Absorvâncias dos padrões dos brancos do Potássio, para o dia 18 de Junho de 2013 ... 118 Tabela B.40: Absorvâncias dos padrões dos brancos do Potássio, para os dias 8, 11, 12 e 15 de

Abril e 5 e 11 de Junho de 2013 ... 119 Tabela B.41: Absorvâncias dos padrões dos brancos do Potássio, para os dias 20, 21 e 25 de

Junho de 2013 ... 119 Tabela B.42: Volume de ácido clorídrico 0,02N, gasto na titulação dos padrões para determinação

Lista de abreviaturas / Nomenclatura

% Cz – Teor de cinzas % CF – Teor de carbono fixo % H – Teor de humidade % MV – Teor de matéria volátil

%m(btq) – Percentagem mássica em base tal e qual %m(bs) – Percentagem mássica em base seca Abs - absorvância

AQS – Água quente solar

Bio-ETBE – Bioéter etil-ter-butílico Bio-MTBE – Bioéter etil-ter-metílico bs - base seca

btq - base tal e qual C - concentração (mg/L)

Casca de carvalho >2 cm – Casca de carvalho com diâmetro superior a 2 cm Casca de carvalho <2 cm – Casca de carvalho com diâmetro inferior a 2 cm Casca de castanheiro >2 cm – Casca de castanheiro com diâmetro superior a 2 cm Casca de castanheiro <2 cm – Casca de castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm cm – Centímetro

CQO – Carência química de oxigénio

E85 - Biocombustível que contém 85 % de etanol e 15 % de gasolina ETAR – Estação de tratamento de águas residuais

ETARI – Estação de tratamento de águas residuais industriais

Eucalipto <10 mm – Eucalipto destroçado mecanicamente com patículas de diâmetro inferior a 10 mm

GEE – Gases de efeito de estufa

HTA – High temperature ashes (Cinzas de alta temperatura) ISA – Solução de nitrato de sódio

KHP – Hidrogenoftalato de potássio mV - Milivoltes mm – Milímetro N.R. – Não realizado nm – Nanómetro(s) P - potencial [mV] PC – Poder calorífico

PCI – Poder calorífico inferior PCS – Poder calorífico superior

Pinheiro <10 mm – Pinheiro destroçado mecanicamente com partículas de diâmetro inferior a 10 mm

RSU – Resíduos sólidos urbanos SD- Desvio padrão

Tojo >5 mm – Fração de tojo com diâmetro superior a 5mm Tojo <5 mm – Fração de tojo com diâmetro inferior a 5mm ton – Toneladas

Tronco de carvalho >2 cm – Tronco de carvalho com diâmetro superior a 2 cm Tronco de carvalho <2 cm – Tronco de carvalho com diâmetro inferior a 2 cm Tronco de castanheiro >2 cm – Tronco de castanheiro com diâmetro superior a 2 cm Tronco de castanheiro <2 cm – Tronco de castanheiro com diâmetro inferior a 2 cm

µm – Micrómetro Ø - Diâmetro

1 INTRODUÇÃO

1.1 B

1.1.1 U

As necessidades energéticas, a elevada dependência de petróleo, o cumprimento do Protocolo de Quioto e as preocupações ambientais a ele associadas, levam à necessidade de serem encontradas energias alternativas, renováveis e menos poluentes. Portanto, têm vindo a ser desenvolvidos diversos tipos de recursos renováveis, das quais se destacam a energia solar, a energia hídrica, a energia geotérmica, a energia eólica, a energia das marés, e a biomassa, que vai ser abordada mais pormenorizadamente ao longo da dissertação.

A biomassa é uma recurso renovável, que se caracteriza como um conjunto de fontes orgânicas suscetíveis de serem utilizadas para produzir energia, e que permite satisfazer as referidas necessidades energéticas a vários níveis. A energia contida na biomassa resulta da captura da energia solar pelas plantas, que posteriormente a vão transformar em energia química, através do processo de fotossíntese. E apesar de ser um recurso energético com grande complexidade, a biomassa pode ser convertida em várias outras formas de energia, desde eletricidade, biocombustíveis ou calor. Isto tem-se vindo a verificar desde a pré-história, quando era apenas utilizada para fazer fogo, tornando-se uma fonte de luz e calor, satisfazendo portanto as maiores necessidades energéticas da altura, e sendo por isso considerada a forma de energia renovável mais antiga. No entanto, com o aumento da utilização de combustíveis fósseis, a taxa de utilização deste recurso veio a diminuir ao longo dos anos. Mas como vivemos numa sociedade onde a cada dia surgem novas potencialidades proporcionadas pelas novas tecnologias que possuem necessidades energéticas muito elevadas, foi necessário trazer de novo este recurso energético para a ordem do dia, fazendo com que voltasse a surgir como um auxiliar e também como uma alternativa à utilização dos combustíveis fósseis (Pires, 2008).

As fontes energéticas provenientes da biomassa são muito diversificadas, quer no que diz respeito à sua proveniência, quer ao nível do estado físico em que se encontram. Assim sendo, pode dizer-se que não existe apenas biomassa, mas sim várias “biomassas”. De acordo com o estado físico podemos dividir a biomassa em 3 grandes grupos: biomassa sólida, biomassa líquida e biomassa gasosa (Pires, 2008).

A biomassa sólida resulta de um conjunto de resíduos florestais, agrícolas (incluindo substâncias vegetais e animais) e da fração biodegradável dos resíduos industriais e urbanos. O aproveitamento da biomassa sólida é feito através da queima em centrais térmicas ou centrais de co-geração para a produção de energia elétrica e de água quente, da sua queima direta (combustão) em lareiras com vista à produção de calor, ou ainda para a produção de biocombustíveis sólidos (densificação) e gasosos, através dos processos de pirólise e gasificação (Pires, 2008).

A biomassa líquida existe numa série de biocombustíveis líquidos com potencial de utilização, em substituição parcial, ou como aditivos em combustíveis fósseis. Os biocombustíveis líquidos com potencial de utilização têm origem em “culturas energéticas”, dos quais são exemplos o biodiesel, o etanol e o metanol. O biodiesel é obtido a partir de óleos vegetais e animais, e pode ser utilizado como substituto do gasóleo, sendo para isto, adicionada uma pequena percentagem de gasóleo a este tipo de combustível. Já o etanol, produzido através da fermentação de hidratos de carbono (açúcar, amido, celulose), pode ser utilizado como aditivo para a gasolina, ou como E85 (biocombustível que contém 85% de etanol e 15% de gasolina) (Pires, 2008).

O aproveitamento da biomassa gasosa depende da sua fonte (suiniculturas, RSU, lamas), sendo de acordo com a mesma, aplicadas diversas tecnologias. O biocombustível gasoso, mais conhecido por biogás, tem origem nos efluentes agropecuários e urbanos (lamas de ETAR’s) e ainda nos aterros de RSU, resultando da degradação biológica da matéria orgânica contida nestes resíduos.

Outro fator importante a favor da utilização de biomassa é o volume cada vez maior de “lixo” produzido no mundo, uma vez que este pode ser aproveitado para geração de energia, diminuindo desta forma a poluição. Exemplos práticos de utilização de biomassa são a queima das sobras de casca de arroz, do bagaço da cana-de-açúcar, do sebo de bovinos dos matadouros e dos óleos residuais (de cozinha), que podem ser usados para geração de energia para a indústria, geração de vapor para produção de energia elétrica, ou aproveitados para a produção de biodiesel, respetivamente (Santos, 2008).

1.1.2 C

A população mundial utiliza apenas 7 % da biomassa total produzida anualmente, contudo, a produção total de biomassa no mundo pode fornecer até 8 vezes mais do que a energia total utilizada, o que significa que a biomassa constitui uma fonte imensa de energia. Apesar dos números de utilização de biomassa não serem muito elevados, existem alguns casos a nível internacional da utilização deste recurso que são mais relevantes:

 Os países como o Brasil e a China, têm vindo a utilizar cada vez mais a biomassa como combustível (etanol, metanol e biodiesel) e como gás para uso doméstico e industrial.

 Na Europa, cerca de 2 % do consumo total de energia elétrica provém da biomassa. Prevê-se ainda, que até ao ano 2020, a produção de energia elétrica através deste recurso assegure 15 % do total consumido (National Renewable Energy

Laboratory).

Em Portugal a floresta ocupa 38 % da superfície terrestre, constituindo desta forma uma enorme fonte de matéria-prima no que diz respeito à biomassa. Atualmente em Portugal, este recurso serve de combustível para instalações de produção de energia elétrica num total de 784,5 MW de potência instalada, registados no ano 2010 (DGGE, 2010; Portal das Energias Renováveis). Segundo uma experiência portuguesa, uma central com capacidade de produção de 15 MW consumirá anualmente 170000 ton de resíduos florestais, o que significa que em Portugal serão consumidas cerca de 8891000 ton/ano de resíduos florestais, tendo em conta a capacidade instalada (Saião, 2009).

De acordo com estudos realizados, em Portugal a biomassa é a principal fonte de energia primária. Os seus principais utilizadores são as indústrias de madeira e seus derivados, e as indústrias de pasta de papel e embalagens, que utilizam grandes quantidades de biomassa para satisfazer as suas necessidades energéticas. Existem ainda outros projetos que utilizam a biomassa, dos quais são exemplos o Sistema Híbrido da Piscina do Torrão, o aquecimento das escolas Concelho Vila Real, a valorização energética de Biogás na ETAR da Ribeira de Colares, a produção de eletricidade e calor através do biogás do aterro de Sermonde, a valorização do Biogás em Cogeração na ETAR de Abrantes, a Central Termoelétrica de Mortágua, a Central de Tratamento de RSU em São João da Talha, a RÓDÃO POWER II, a incineração na Lipor II, a CENTROLIVA, a RÓDÃO POWER I (PORTUCEL TEJO), em Terras de Santa Maria, a ETRSU (Meia Serra), a Agraçor, o Sistema de Aproveitamento Energético de Biogás de Palmela, o Aterro de Trajouce - Biogás, o Aterro Sanitário de Mato da Cruz - Biogás, o Aterro Sanitário de Leiria - Biogás, o Centro de Tratamento de RSU Planalto Beirão - Biogás, a Central de Valorização Energética de Biogás - Aterro Sanitário Penafiel, o Aterro Sanitário do Vale do Lima e Baixo Cávado - Biogás, o SOPET, a ETAR de Coimbra, a ERSUC de Coimbra,

a AGROPE, o Aterro Sanitário do Barlavento, Cruz Valente, a SOPECUÁRIA, o BIOCENTRO, a ETAR de Olhalvas (SIMLIS), a ETAR de Beirolas, a ETAR de Frielas, a ETAR de Parada, a ACA, a Sociedade Agropecuária Hermínio Minderico, a Estação Coletiva de Tratamento de Efluentes Suinícolas de Alcobertas, o Centro Integrado de Valorização e Tratamento de Resíduos Sólidos do Seixal, e a empresa Bernardino de Almeida Costa & Filhos SA (DGGE, 2010).

Outro tipo de aplicação da biomassa, bastante desenvolvida em Portugal, é a produção de Pellets e Briquettes, conhecendo-se várias indústrias como a Stellep, Produção de Pellets S.A. em Chaves, a Jungle Power em Lousada, a PeletesPower em Mortágua, a PeletesPower2 em Alcácer do Sal, a Pinewells em Arganil, a Enermontijo em Pegões, a Enerpellets em Pedrogão Grande, a NovaLenha em Oleiros, a Briquetes Raro em Braga, a CMC biomassa em Alcobaça, a Vimasol Pellets em Celorico de Basto, a Biobranco II em Vila Velha de Ródão, a Soltotal em Carapinheira, a Biomad em Lousada, a Ambipellets na Póvoa de Lanhoso e a Castro & Filhos em Guimarães (Magalhães, 2010).

1.1.3 V

A biomassa para produção de energia possui algumas vantagens relativamente aos combustíveis fósseis, das quais se destacam o fato de ser uma fonte de energia limpa e renovável, é uma menor causadora de corrosão nos equipamentos, os gases (ex: CO2, C, CO, NOx) resultantes da sua queima não interferem no efeito estufa, é uma fonte de energia que pode ser produzida por qualquer pessoa, permite a redução da dependência de petróleo nos países menos desenvolvidos, tornando-os mais independentes, leva à diminuição do lixo industrial, e tem baixo custo de implantação e manutenção (Santos, 2008).

Por outro lado, algumas propriedades da biomassa são inconvenientes, tornando o processo de produção de energia mais complicado, nomeadamente o seu elevado teor de oxigénio, a sua natureza hidrofílica, o elevado teor de humidade, libertação de fumos (gases e cinzas volantes) durante a combustão devido à elevada quantidade de oxigénio, e também por possuir uma estrutura tenaz e fibrosa e uma composição heterogénea (Stelt et al., 2011).

1.2 C

A biomassa inclui na sua composição os seguintes componentes: celulose, hemicelulose, lenhina, lípidos, proteínas, açúcares simples, amido, água e cinzas, resultantes do processo de fotossíntese. A concentração de cada componente varia de acordo com a espécie, o estágio e as condições de crescimento (Khan et al., 2008; Speight, 2008). A celulose é um polissacarídeo linear, constituído por monómeros de glicose, apresentando portanto, devido às suas ligações, uma estrutura que muito dificilmente é quebrada através da hidrólise. A hemicelulose é um polissacarídeo com composição variável que está associado à celulose, é amorfo e o seu peso molecular é inferior ao da primeira. A lenhina é um polímero irregular constituído por unidades de compostos aromáticos, o que aumenta a resistência da planta e a torna difícil de degradar. A função destes constituintes é conferir rigidez, resistência e impermeabilidade à biomassa (Khan et al., 2008; Jenkins et al., 1998; Speight, 2008).

As propriedades da biomassa têm influência direta na escolha da tecnologia de conversão, devido à sua especificidade no que diz respeito ao conteúdo de matéria seca, tamanho, forma e consistência, e também nas dificuldades que podem surgir durante a conversão energética (McKendry, 2002a; Quaak et. al., 1999). Estas propriedades são determinadas através da sua caracterização, sendo classificadas através da análise imediata, análise elementar e da análise das cinzas (analisando os elementos contidos nestas, tais como metais). Através da análise imediata determinam-se os teores de humidade, cinzas, matéria volátil e carbono fixo, na

análise elementar determina-se a composição elementar da biomassa [C (carbono), O (oxigénio), H (hidrogénio), S (enxofre), N (azoto)], na análise de cinzas determinam-se elementos como Si (silício), Al (alumínio), Fe (ferro), Ca (cálcio), S (enxofre), Mg (magnésio), K (potássio), Ti (titânio), Na (sódio), P (fósforo), Mn (manganês), Cl (cloro) e elementos vestigiais, existem também as análises de matéria orgânica e inorgânica e a análise mineralógica (minerais e fases inorgânicas), procedimentos de separação (diferentes frações), e outras análises de baixas ou altas temperaturas das cinzas do combustível (Vassilev et al., 2010). Para além das propriedades referidas, existem outras também importantes, como o poder calorífico e a densidade volúmica.

As características que tornam a biomassa num bom combustível, são a sua facilidade de secagem, o elevado poder calorífico, a baixa temperatura de ignição, o elevado teor de voláteis e a elevada taxa de combustão. Em contrapartida, existem fatores que podem limitar a eficiência de combustão, como a humidade, granulometria, densidade e heterogeneidade dos materiais. A composição química da biomassa varia de espécie para espécie. A composição geral das plantas é de aproximadamente 25 % de lenhina e 75 % de carbohidratos (açúcares que formam longas cadeiras de polímeros). Por outro lado, a fração de lenhina é constituída por moléculas não açúcares, que funcionam como “cola” para manter as fibras de celulose ou hemicelulose unidas (EUBIA).

1.2.1 C

A composição imediata (humidade, cinzas matéria volátil e carbono fixo) permite estudar os teores de humidade, cinzas, voláteis e carbono fixo da biomassa. As culturas anuais de rápido crescimento (pequenos ramos e folhagens de árvores, madeiras, palhas, gramíneas e frutos) têm maiores teores de humidade e cinzas em comparação com caules, troncos, cascas e ramos de árvores grandes (Vassilev et al., 2010).

1.2.1.1 H

O teor de humidade da biomassa é definido como a quantidade de água livre existente no material e varia no intervalo de 3-63 %, dependendo do tipo de biomassa e do tipo de armazenamento. Contudo pode atingir os 80 % em algumas espécies de madeira. Outra definição de humidade da biomassa refere-se a uma solução aquosa que contém catiões mineralizados (Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ti), aniões [Br (bromo), Cl, CO3 (carbonato), F (fluor), HCO3 (bicarbonato), H2PO4 (hidrogenofosfato), I (iodo), NO3 (nitrato), OH (hidróxido), PO4 (fosfato), SO4 (sulfato)] e também espécies sem carga como o ácido de silício (H4SiO4). Este líquido desempenha um papel fundamental na composição da biomassa, devido ao elevado teor de água nas células vivas (Vassilev et al., 2010).

A quantidade de humidade presente na biomassa tem influência sobre o processo de conversão energética, o volume de gases combustíveis produzidos por unidade de energia e também sobre o seu poder calorífico, uma vez que este diminui com o aumento da humidade no combustível (Loo, 2008; Quaak et al., 1999; Yang et al., 2004).

O valor do teor de humidade diminui pela seguinte ordem de espécies de biomassa: madeira e biomassa lenhosa > herbáceas e erva agrícola > herbáceas e resíduos agrícolas > herbáceas e biomassa agrícola > biomassa contaminada > biomassa aquática (Vassilev et al., 2010).

1.2.1.2 C

O teor de cinzas (base seca) determinado a 550-600 ºC na biomassa varia normalmente entre 0,1-46 %, dependendo da espécie de biomassa. Este teor e a sua composição química, afetam o comportamento dos processos de conversão energética (a elevadas temperaturas), nomeadamente no que diz respeito à formação de escórias e aglomerações, o que faz com que aumentem os custos de manutenção, e portanto, os custos globais do processo. Os principais elementos que se encontram nas cinzas de biomassa são Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, S e P (Jenkins et al., 1998; McKendry, 2002a; Quaak et al., 1999; Vassilev et al., 2010).

O teor de cinzas de biomassa diminui geralmente pela seguinte ordem: biomassa aquática > biomassa contaminada > herbáceas e biomassa agrícola > herbáceas e resíduos agrícolas > herbáceas e erva agrícola > madeira e biomassa lenhosa. Para a madeira e biomassa lenhosa, o teor de cinzas diminui pela seguinte ordem: folhas > casca > troncos.

Os elevados teores de cinzas de alguns combustíveis de madeira, tais como madeira tratada quimicamente e resíduos de madeira, indicam uma maior quantidade de impurezas minerais, metálicas e outros contaminantes resultantes do processo de fabrico. Em contrapartida, a temperatura de combustão afeta significativamente o rendimento total das cinzas de biomassa, por exemplo, os teores de cinzas determinados a 1000-1300 ºC são 20-70 % mais baixos do que os determinados a 500-550 ºC (Vassilev et al., 2010).

1.2.1.3 M

O teor de voláteis, ou matéria volátil, da biomassa é a fração libertada quando esta é aquecida a 900 ºC em atmosfera inerte. Durante o processo de volatilização, a biomassa decompõe-se em gases voláteis (incluindo humidade), alcatrões, hidrocarbonetos leves, CO, CO2, H2 (Vassilev et. al., 2010). O teor de matéria volátil (base seca) na biomassa varia e geralmente é elevado, podendo ter valores entre 48-86 %, o que dá a indicação que este tipo de combustível é de fácil ignição e oxidação (Loo, 2008; McKendry, 2002a; Quaak et al., 1999; Vassilev et al., 2010). Contudo, o processo termoquímico é expectável que seja mais rápido e de difícil controlo, pois o processo passa a ser dominado pela oxidação dos voláteis na fase gasosa e não pela oxidação do carbono na fase sólida (Werther et al., 2000) Estudos realizados por Ogada et. al., indicam que teores elevados de voláteis afectam significativamente os processos termoquímicos, nos quais a combustão está incluída.

O teor de voláteis nas diferentes espécies de biomassa, diminui geralmente pela seguinte ordem: herbáceas e erva agrícola > madeira e biomassa lenhosa > herbáceas e biomassa agrícola > herbáceas e resíduos agrícolas > biomassa contaminada > biomassa aquática. O teor extremamente elevado de matéria volátil é característico de algumas madeiras e biomassas lenhosas, bagaço de cana-de-açúcar e resíduos de papel.

1.2.1.4 C

O teor de carbono fixo é a fracção mássica que se mantém após a libertação dos voláteis, excluindo a cinza e o teor de humidade (McKendry, 2002a).

O conteúdo de carbono fixo (base seca) da biomassa varia entre 1-38 %, e normalmente diminui pela seguinte ordem: herbáceas e resíduos agrícolas > herbáceas e biomassa agrícola > madeira e biomassa lenhosa > herbáceas e erva agrícola > biomassa aquática > biomassa contaminada. Teores elevados de carbono fixo são característicos de algumas cascas de madeira, de resíduos herbáceos e de biomassa agrícola. A biomassa apresenta geralmente um rácio de matéria volátil/carbono fixo superior a 3,50 (Vassilev et al., 2010).

1.2.2 C

Em termos de composição elementar, e do mesmo modo que nos combustíveis fósseis, o principal constituinte da madeira é o carbono, seguido do oxigénio e em terceiro lugar o hidrogénio (aproximadamente 5-6 % da matéria seca). No entanto, a biomassa tem muito mais oxigénio que os combustíveis fósseis convencionais (incluindo o carvão), uma vez que é constituída essencialmente por hidratos de carbono, representando estes cerca de 45 % da matéria seca. O elevado teor de oxigénio da biomassa permite que a sua combustão necessite de uma menor quantidade de ar, e portanto, uma menor quantidade de energia. Outros elementos presentes na biomassa em pequenas quantidades (inferiores a 1 % de matéria seca), são o azoto (constituinte da fração proteica das plantas), o enxofre e o cloro. Estes elementos são responsáveis pela formação de emissões poluentes (ex: NO e NO2, resultantes do azoto), contrariando assim a teoria de neutralidade da biomassa em emissões de GEE (EUBIA).

Os teores de C, H, O são semelhantes nos diferentes tipos de biomassa, já os teores de N apresentam diferenças significativas. As maiores variações ocorrem em termos de Al, Mn, Na e Si, e ocorrem menores variações em termos de Ca, Cl, Fe, K, Mg e P, para a biomassa lenhosa. A concentração e o comportamento de elementos como Ca, Cl, K, Na, P, S, Si e metais pesados (mais precisamente oligoelementos), estão na origem de muitos problemas tecnológicos e ambientais durante o processamento da biomassa (Vassilev et al., 2010). Estudos realizados permitem afirmar que a madeira lenhosa apresenta geralmente concentrações mais baixas de Cl, K, N, S e Si e concentrações mais elevadas de Ca e C, em comparação com outras variedades de biomassa. As culturas anuais de rápido crescimento (pequenos ramos e folhagens de árvores, madeiras, palhas, gramíneas e frutos) apresentam as maiores concentrações de Cl, K, Mg, N, P e S (ocasionalmente Na) em comparação com caules, troncos, cascas e ramos de árvores grandes. Por outro lado, os elementos, como Al, Ca, Mn, Si são considerados como imobilizados e são acumulados nos tecidos, por meio de outros elementos móveis (Vassilev et al., 2010).

A composição elementar permite então determinar o poder calorífico e as necessidades de comburente, durante os processos termoquímicos. Devido à forte influência da humidade e do teor de cinzas no conteúdo das outras características químicas da biomassa, são feitas caracterizações comparativas dos diversos tipos deste recurso através da análise elementar (cinco elementos) e dos dados adicionais para o conteúdo de cloro. Contudo, alguns tipos de biomassa contêm outras espécies, consideradas impurezas e que possuem grande relevância no que diz respeito à emissão de poluentes, dependendo da fonte de combustível (Khan et al., 2008; Vassilev et al., 2010).

1.2.2.1 C

(C)

O teor de carbono total da biomassa varia entre 42-71 %, e normalmente diminui pela seguinte ordem: biomassa aquática > biomassa contaminada > madeira e biomassa lenhosa > herbáceas e resíduos agrícolas > herbáceas e biomassa agrícola > herbáceas e erva agrícola. O alto teor de carbono é característico de algumas cascas de madeira, resíduos de cinzas, resíduos de cama de frango e farinha de carne e ossos. É de evidenciar também que teor de carbono na biomassa lenhosa é superior ao da biomassa herbácea (Vassilev et al., 2010).

1.2.2.2 O

(O)

O teor de oxigénio na biomassa é calculado por diferença, e varia entre 16-49 %. Este teor diminui pela seguinte ordem: herbáceas e erva agrícola > herbáceas e biomassa agrícola >